Enhanced Electron Penetration through an Ultrathin Graphene Layer for Highly Efficient Catalysis of the Hydrogen Evolution Reaction

过电位 石墨烯 催化作用 材料科学 掺杂剂 纳米技术 化学工程 密度泛函理论 电极 化学 兴奋剂 电化学 计算化学 物理化学 有机化学 光电子学 工程类
作者
Jiao Deng,Pengju Ren,Dehui Deng,Xinhe Bao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:54 (7): 2100-2104 被引量:1279
标识
DOI:10.1002/anie.201409524
摘要

Major challenges encountered when trying to replace precious-metal-based electrocatalysts of the hydrogen evolution reaction (HER) in acidic media are related to the low efficiency and stability of non-precious-metal compounds. Therefore, new concepts and strategies have to be devised to develop electrocatalysts that are based on earth-abundant materials. Herein, we report a hierarchical architecture that consists of ultrathin graphene shells (only 1-3 layers) that encapsulate a uniform CoNi nanoalloy to enhance its HER performance in acidic media. The optimized catalyst exhibits high stability and activity with an onset overpotential of almost zero versus the reversible hydrogen electrode (RHE) and an overpotential of only 142 mV at 10 mA cm(-2) , which is quite close to that of commercial 40 % Pt/C catalysts. Density functional theory (DFT) calculations indicate that the ultrathin graphene shells strongly promote electron penetration from the CoNi nanoalloy to the graphene surface. With nitrogen dopants, they synergistically increase the electron density on the graphene surface, which results in superior HER activity on the graphene shells.
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